空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

高 宇

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦， 山西 太原 030200）

引言

空壓機(jī)是煤炭井下風(fēng)鎬作業(yè)、風(fēng)鉆作業(yè)以及風(fēng)動(dòng)鑿巖作業(yè)等機(jī)械作業(yè)的重要?jiǎng)恿碓?，對企業(yè)安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。相較其他的電氣動(dòng)力設(shè)備，空壓機(jī)在煤塵、瓦斯以及其他有害氣體環(huán)境中更具優(yōu)越性，可更好地保證煤炭井下生產(chǎn)的安全。煤炭井下生產(chǎn)條件惡劣，對井下生產(chǎn)設(shè)備影響巨大，空壓機(jī)在井下也易發(fā)生供風(fēng)量下降、積碳等故障。傳統(tǒng)對空壓機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)測大多采用人工監(jiān)測的方法，不僅對企業(yè)人力、物力耗費(fèi)巨大，同時(shí)也無法及時(shí)獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，影響設(shè)備使用效率，降低企業(yè)生產(chǎn)效率[1-3]。針對這一現(xiàn)象，本文提出了運(yùn)用智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警的方法對空壓機(jī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)分析，降低監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)使用成本，提升監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化與智能化水平，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高設(shè)備使用效率。

1 空壓機(jī)設(shè)備簡介及常見故障分析

在煤炭企業(yè)生產(chǎn)中，運(yùn)用最多的空氣壓縮機(jī)設(shè)備為螺桿式空壓機(jī)。螺桿式空壓機(jī)主要由機(jī)體部分、壓縮部分、傳動(dòng)部分、潤滑部分、冷卻部分、操作調(diào)節(jié)部分以及動(dòng)力部分七部分組成。螺桿式空壓機(jī)具有使用效率高、振動(dòng)幅度小、使用壽命長、使用噪聲小等特點(diǎn)。較其他電氣動(dòng)力設(shè)備，螺桿式空壓機(jī)在使用過程中無火花產(chǎn)生，不會(huì)發(fā)生觸電事故，具有更高的安全性，符合煤炭井下生產(chǎn)的安全要求。

空壓機(jī)的工作過程主要包括吸氣、壓縮以及排氣三個(gè)過程。其中，空壓機(jī)的吸氣、排氣主要是通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行空氣吸入與排出的。吸入的空氣首先會(huì)進(jìn)入機(jī)體腔內(nèi)，進(jìn)入機(jī)體后空壓機(jī)設(shè)備對吸入空氣進(jìn)行過濾處理，處理后會(huì)使空氣與潤滑油接觸混合，然后運(yùn)用轉(zhuǎn)子將混合后的氣體排出至油氣桶進(jìn)行油氣分離處理，最后壓力維持閥會(huì)將分離處理后的空氣輸入各類氣體使用機(jī)械中，為設(shè)備提供動(dòng)力。

螺桿式空壓機(jī)的常見故障主要包括空氣系統(tǒng)故障、潤滑故障、冷卻故障以及電氣故障四部分。其中，空氣系統(tǒng)故障主要包括壓力不正常、加載失靈以及空重車切換頻繁等；潤滑故障主要包括氣體內(nèi)潤滑油含量超標(biāo)、潤滑油損耗過大以及進(jìn)氣口噴油等；冷卻故障主要是冷卻系統(tǒng)故障；電氣故障主要為電壓電流異常以及電動(dòng)機(jī)過載等。

2 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)兩部分。上位機(jī)系統(tǒng)由工控機(jī)組成，對下位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)所采集的空壓機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后通過屏幕顯示出來。PLC 可編程控制器可對采集到的信息進(jìn)行分析處理，若發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行異常會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒操作人員系統(tǒng)故障，及時(shí)進(jìn)行故障處理?？諌簷C(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的組成部件主要有PLC 可編程控制器、傳感器、控制器以及其他輔助裝置?？諌簷C(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 PLC 可編程控制器設(shè)計(jì)選型

PLC 可編程控制器是空壓機(jī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、信號數(shù)據(jù)處理以及信號輸出的核心部件，對系統(tǒng)監(jiān)測性能至關(guān)重要。PLC 可編程控制器主要有小型、中型以及大型三種。不同類型的PLC 可編程控制器其基本功能、I/O、儲(chǔ)存量大小以及使用的場合都各不相同。其中，小型PLC 可編程控制器功能最少，參數(shù)較低，只有基本的邏輯控制以及一些輔助功能；大型PLC 可編程控制器功能最高，參數(shù)最優(yōu)。由于空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)較為簡單，小型PLC 可編程控制器即可滿足設(shè)計(jì)要求，且小型PLC 可編程控制器成本較低，故本文選用小型PLC可編程控制器作為系統(tǒng)的控制核心。選用型號為西門子功能的S7-200 型PLC 可編程控制器。

PLC 可編程控制器的設(shè)計(jì)選型還包括CPU 以及模擬量模塊。小型PLC 可編程控制器所匹配的CPU 選擇8 位的小型微處理器即可滿足使用要求。綜合空壓機(jī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際使用情況，匹配S7-200 型 PLC 的 CPU 型 號 中 AC/DC/Rrelay CPU226 較為適合本文的空壓機(jī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。模擬量輸出輸入模塊采用的是EM231 模塊。系統(tǒng)的模擬量輸出輸入模塊設(shè)計(jì)主要需注意的為監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾功能。本文采用差分、隔離的輸入方法來增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。12 位的系統(tǒng)分辨率以及4 通道輸入、1 通道輸出的模塊即可滿足空壓機(jī)的壓力以及精度要求，同時(shí)也可更好的提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3 故障預(yù)警算法選擇

空壓機(jī)遠(yuǎn)程故障預(yù)警算法本文選用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法主要是運(yùn)用反向誤差，也就是梯度下降的方法進(jìn)行故障預(yù)警分析的。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法容錯(cuò)率較高，模式識別能力較強(qiáng)，通過對過往采集的精準(zhǔn)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整各層權(quán)值，使得故障預(yù)警判斷更加準(zhǔn)確。當(dāng)輸入信號與學(xué)習(xí)樣本中的一項(xiàng)基本相同時(shí)，那么系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)定空壓機(jī)狀態(tài)為該項(xiàng)樣本的狀態(tài)。當(dāng)輸入信號與所有樣本皆不相同時(shí)，系統(tǒng)則顯示為無法識別，同時(shí)則將該數(shù)據(jù)作為新的樣本進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不斷提高系統(tǒng)故障判斷預(yù)警能力。

2.4 傳感器選型

由于煤炭井下生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，故傳感器選擇應(yīng)符合穩(wěn)定性強(qiáng)、耐磨損、耐高溫以及抗振性能強(qiáng)等原則?？諌簷C(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)所需的傳感器主要包括溫度、振動(dòng)、壓力以及煙霧報(bào)警四類傳感器。其中，壓力傳感器主要是對空壓機(jī)系統(tǒng)中的油氣桶、油路、水管路以及排氣管路等進(jìn)行壓力監(jiān)測。綜合實(shí)際使用情況，壓力傳感器本文選用三恒公司生產(chǎn)的GDP10 煤礦專用壓力傳感器。GDP10 壓力傳感器工作電壓為18 V，量程為0～1.5 MPa，誤差小于0.4 MPa，較為符合要求；溫度傳感器主要是對機(jī)體、電動(dòng)機(jī)以及管路等部分溫度進(jìn)行監(jiān)測。本文選用新力公司生產(chǎn)的GWP100 礦用溫度傳感器，其具體參數(shù)為電壓12～24 V，量程100 ℃以下；由于空壓機(jī)的大部分故障產(chǎn)生都伴隨著設(shè)備的振動(dòng)，故振動(dòng)信號的監(jiān)測可更好地反映出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常。本文選用GB20 型振動(dòng)加速度傳感器，其具體參數(shù)為電壓為19 V，量程為0～20 mm/s，誤差小于10%；煙霧報(bào)警傳感器主要是對電氣設(shè)備是否發(fā)生火宅進(jìn)行監(jiān)測處理，本文選用的煙霧報(bào)警傳感器為GQQ0.1型報(bào)警器。

3 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。其中，上位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要是系統(tǒng)的界面、數(shù)據(jù)庫以及動(dòng)畫連接等。下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)則為空壓機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警程序?？諌簷C(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警程序運(yùn)行流程示意圖如圖2 所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

將PLC 可編程控制器、傳感器、上位機(jī)系統(tǒng)以及各電路模塊安裝連接并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試后進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)單系統(tǒng)測試，系統(tǒng)測試正常后進(jìn)行系統(tǒng)整體測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)正常，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對比，數(shù)值基本一致，符合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。采用300 個(gè)故障樣本對空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)警測試，測試結(jié)果如下頁表1 所示。故障預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)99.7%，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

表1 故障預(yù)警測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

空壓機(jī)一直是煤炭井下生產(chǎn)必不可少的重要?jiǎng)恿μ峁┰O(shè)備，對企業(yè)安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。針對傳統(tǒng)空壓機(jī)監(jiān)測采用人工監(jiān)測費(fèi)時(shí)費(fèi)力、準(zhǔn)確率較低、無法對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測等問題，本文提出了運(yùn)用智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警的方法對空壓機(jī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)分析。通過對系統(tǒng)各部件分析選型，故障預(yù)測算法選擇以及軟件設(shè)計(jì)完成了空壓機(jī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。通過系統(tǒng)測試，系運(yùn)行平穩(wěn)正常，數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確。對故障預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行測試，其預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)99.7%，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。